Откуда в центре Галактики компоненты для ДНК и возможна ли там жизнь: обнаружено молекулярное облако G+0.633

В вопросе о происхождении жизни на Земле есть пробел: ученые до сих пор точно не знают, в какой момент простые химические элементы объединились в сложные органические структуры. Долгое время считалось, что этот процесс начался исключительно на поверхности молодой Земли — в первичных водоемах под действием электрических разрядов и вулканического тепла. Однако развитие астрономии за последние полвека показало, что углеродные соединения высокой сложности возникают задолго до формирования планет и звезд — прямо в межзвездном пространстве.

Межзвездная среда — это разреженный газ и микроскопическая пыль, заполняющие пространство между звездными системами. До середины XX века астрономы предполагали, что космос химически мертв, так как жесткое излучение и низкая плотность должны разрушать любые сложные химические связи. Все изменилось с появлением радиоастрономии.

Если оптические телескопы видят только свет звезд, то радиотелескопы способны улавливать радиоволны, которые испускают холодные молекулы при вращении. Каждое вещество излучает радиоволны строго определенных частот. По этим частотам ученые определяют тип молекулы так же точно, как по отпечаткам пальцев.

К настоящему моменту в межзвездном пространстве открыто около 350 различных молекул. Они варьируются от простейших соединений из двух атомов до углеродных цепочек и колец, состоящих из десятков элементов. Более трети этого списка астрономы обнаружили всего за последние три года. При этом подавляющая часть самых сложных находок долгое время концентрировалась лишь в одной точке Млечного Пути.

Этой точкой было молекулярное облако G+0.693-0.027, расположенное в самом центре нашей Галактики. В нем обнаружили почти 40% всех известных межзвездных молекул, включая прямые предшественники белков, сахаров и генетического кода.

Для фундаментальной науки такая уникальность представляла проблему. Если явление зафиксировано только в одном месте во Вселенной, его нельзя считать общим правилом. Ученые не могли доказать, является ли химическое богатство облака G+0.693 следствием каких-то редких случайных процессов или же в космосе действует постоянный и закономерный механизм создания пребиотических веществ.

Ответ на этот вопрос дало новое исследование международной группы астрономов. В южной части того же галактического сектора исследователи открыли и подробно описали химического близнеца первого облака — объект G+0.633-0.0604. Это открытие доказало, что синтез сложных органических веществ в межзвездной среде носит регулярный характер, а само новое облако оказалось намного удобнее для наблюдений, чем его предшественник.

Сложности радиопоиска молекул в космосе

Исторически радиоастрономы направляли свои инструменты на так называемые горячие молекулярные ядра. Это плотные и массивные сгустки газа, внутри которых под действием собственной гравитации уже начали рождаться новые звезды. Центральная часть такого ядра сильно нагрета излучением формирующейся звезды. Под действием тепла твердые частицы льда на пылинках испаряются, и замерзшие газы переходят в окружающее пространство.

Кажется, что это идеальное место для поиска молекул. Однако у горячих ядер есть фундаментальный недостаток: там слишком высокая температура.

Когда газ сильно нагрет, содержащиеся в нем молекулы получают большой запас энергии. Они начинают беспорядочно и интенсивно двигаться, колебаться и вращаться на множестве разных энергетических уровней. В результате каждая молекула испускает радиоволны не на двух-трех базовых частотах, а на десятках и сотнях тысяч частот одновременно.

Когда радиотелескоп принимает такой сигнал, на экранах приборов возникает то, что астрономы называют пределом спектрального перемешивания. Это ситуация, при которой спектральные линии разных молекул полностью перекрывают друг друга. Линии сливаются в сплошной радиочастотный шум.

Обнаружить в такой смеси распространенные молекулы — например, воду, угарный газ или метанол — ученые еще могут, так как их сигналы очень сильны. Но найти сложные пребиотические молекулы, концентрация которых в газе ничтожно мала, становится практически невозможно: их слабые пики тонут под сигналами более простых и горячих веществ.

Физический механизм синтеза в облаках G+0.693 и G+0.633

Особенность облаков G+0.693 и вновь открытого G+0.633 заключается в том, что в них нет формирующихся звезд. Это огромные холодные скопления газа и пыли, которые находятся в регионе Стрелец B2, в сотне парсеков от центральной сверхмассивной черной дыры нашей Галактики.

Здесь работает совершенно другой физический механизм обогащения газа органикой, исключающий высокотемпературный нагрев. Этот механизм состоит из трех последовательных факторов.

1. Медленные ударные волны

Регион Стрелец B2 динамически нестабилен: гигантские газовые потоки в нем постоянно перемещаются и сталкиваются друг с другом. Когда две массы газа сталкиваются, в зоне их контакта возникает фронт ударной волны.

Скорость этой волны относительно невелика — от 40 до 70 километров в секунду. В физике межзвездной среды такие волны называют низкоскоростными. Они не способны создать экстремальную температуру или запустить термоядерные процессы.

Индикатором наличия таких волн служит молекула изоциановой кислоты (HNCO). В спокойном газе ее мало, но при столкновениях облаков ее излучение резко возрастает. Наблюдения показали, что и в старом облаке G+0.693, и в новом G+0.633 излучение HNCO достигает максимальных значений. Это прямое доказательство того, что оба объекта находятся в зонах активного ударного сжатия.

2. Механическое распыление ледяных оболочек пыли

В холодных темных облаках температура не превышает 10-20 Кельвинов (выше абсолютного нуля всего на пару десятков градусов). В таких условиях атомы двигаются медленно и оседают на твердых микроскопических частицах силикатной и углеродной пыли.

На поверхности этих пылинок образуется ледяная корка. Она состоит не только из водяного льда: там замерзают аммиак, метан, оксиды углерода. Миллионы лет под воздействием фонового космического излучения на поверхности пылинок идут химические реакции, собирающие из простых атомов сложные многоатомные структуры.

Однако пока эти молекулы вморожены в лед на поверхности твердых частиц, радиотелескопы бессильны: твердое вещество не дает характерных вращательных радиолиний. Молекулы нужно перевести в состояние газа.

В горячих ядрах этот лед испаряется жаром звезд, что приводит к перегреву молекул. В облаках G+0.693 и G+0.633 работает другой процесс — механическое распыление.

Проходящая низкоскоростная ударная волна сталкивает частицы газа с ледяными зернами пыли. Удары частиц механически сбивают молекулы с поверхности льда, переводя их в газовую фазу. При этом кинетическая энергия столкновений достаточно мала: она срывает замерзший слой, но не разрывает прочные химические связи внутри самих органических молекул. В результате в межзвездный газ единовременно выбрасываются целые и неповрежденные сложные соединения.

3. Субтепловое возбуждение

После того как молекулы попали в газ, возникает уникальный физический режим.

Кинетическая температура газа в новом облаке G+0.633 составляет от 55 до 90 Кельвинов. Это температура, определяющая среднюю скорость движения частиц. Однако плотность газа здесь остается умеренной.

Из-за разреженности среды молекулы сталкиваются друг с другом сравнительно редко. Когда молекула в результате столкновения переходит на более высокий вращательный уровень, она успевает излучить фотон и вернуться в исходное, самое низкое энергетическое состояние до того, как произойдет следующее столкновение.

В физике это состояние называют субтепловым возбуждением. Температура возбуждения молекул составляет всего 3-20 Кельвинов при реальной температуре газа около 90 Кельвинов.

Это имеет решающее значение для радионаблюдений. Молекулы не распределяются по миллионам высокоэнергетических уровней. Они концентрируются только на базовых, самых нижних квантовых состояниях. Соответственно, каждая молекула излучает радиоволны лишь на небольшом числе строго определенных частот. Лес спектральных помех исчезает. Спектр становится прозрачным, что позволяет фиксировать даже крайне редкие соединения.

Пребиотическая перепись нового облака

Для изучения облака G+0.633 астрономы задействовали три крупнейших радиоинструмента мира:

• 40-метровый радиотелескоп обсерватории Йебес в Испании;
• 30-метровый телескоп Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) в испанской Сьерра-Неваде;
• Субмиллиметровый телескоп APEX, расположенный на высоте 5100 метров в чилийской пустыне Атакама.

Ученые провели спектральный обзор с суммарной полосой пропускания около 100 гигагерц в диапазонах длин волн 7 миллиметров, 3 миллиметра и 1,3 миллиметра. Чувствительность измерений достигла субмилликельвинового уровня — это предел современной приемной радиоаппаратуры.

В результате анализа в облаке G+0.633 зафиксировали более 120 молекулярных видов. В его составе найдены все шесть органогенных элементов, без которых невозможна земная биология: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера.

Кроме простых цепочечных молекул, в спектре обнаружили бензонитрил (c-C₆H₅CN). Это стабильное шестиугольное кольцо из атомов углерода с присоединенной нитрильной группой. Наличие бензонитрила доказывает, что в условиях ударных волн устойчиво формируются не только линейные молекулы, но и сложные ароматические кольцевые структуры.

Самым важным результатом стало обнаружение устойчивых следов соединений, которые напрямую участвуют в химической эволюции, предшествующей появлению жизни:

1. Предшественники клеточных оболочек: этаноламин

В облаке G+0.633 второй раз в истории межзвездных наблюдений зафиксирован этаноламин (NH₂CH₂CH₂OH).

В биологии эта молекула составляет основу гидрофильной полярной группы фосфатидилэтаноламина — одного из главных фосфолипидов, формирующих клеточные мембраны всех живых организмов на Земле.

Клеточная мембрана выполняет барьерную функцию. Без нее невозможно изолировать внутреннюю среду клетки от внешнего хаоса и поддерживать метаболизм. Обнаружение этаноламина в двух независимых точках космоса указывает на то, что компоненты для сборки мембран первых протоклеток присутствовали в веществе еще до того, как образовались Земля и Солнце.

2. Предшественники белков: sp-гликоламид

Ученые подтвердили наличие в облаке sp-гликоламида (sp-NH₂C(O)CH₂OH).

Это вещество представляет собой структурный изомер глицина — простейшей аминокислоты, из которой строятся белковые молекулы. В химии изомерами называют молекулы, которые состоят из абсолютно одинакового набора атомов, но соединены в разном порядке.

Наличие гликоламида подтверждает, что в межзвездном пространстве идут активные реакции с участием амидных связей — фундаментального типа химической связи, которая соединяет аминокислоты в полипептидные цепочки и белки.

3. Предшественники генетических матриц: цианометанимины

В спектре G+0.633 найдены сразу все три геометрические конфигурации молекулы цианометанимина: Z-изомер, E-изомер и N-цианометанимин (H₂CNCN). До этого исследования N-форма фиксировалась исключительно в облаке G+0.693.

В лабораторных экспериментах по пребиотической химии цианометанимины признаны ключевыми переходными звеньями в цепочке реакций, ведущих к синтезу аденина.

Аденин — это одно из четырех базовых азотистых оснований, с помощью которых записывается генетическая информация в молекулах ДНК и РНК. Тот факт, что в межзвездном газе присутствуют все необходимые промежуточные звенья этой цепи, показывает: основы химического аппарата наследственности закладываются физическими процессами задолго до формирования планет.

Спектроскопический прорыв: почему второе облако превосходит первое

Открытие G+0.633 важно не только тем, что оно подтвердило состав первого облака. Новый объект оказался физически более совершенной естественной лабораторией благодаря особенностям движения газа внутри него.

Радиолинии молекул в астрономии не являются бесконечно тонкими. Они имеют ширину, которая зависит от внутренней турбулентности газового облака. Движение отдельных слоев газа навстречу наблюдателю или от него вызывает доплеровский сдвиг: часть радиоволн смещается в сторону более высоких частот, часть — в сторону более низких. В результате пик на спектрограмме расширяется.

В облаке-первопроходце G+0.693 внутренняя турбулентность высока. Полная ширина линий на половине их максимальной высоты (параметр FWHM) составляет около 20 километров в секунду. Из-за этого многие спектральные сигналы частично накладывались друг на друга, смазывая детали измерений.

В новом облаке G+0.633 ширина линий составляет всего порядка 10 километров в секунду. Они ровно в два раза уже.

Сужение линий в два раза дает колоссальный выигрыш в спектроскопии:

1. Снижение порога спектрального наложения: линии близких по структуре молекул больше не сливаются в один широкий холм. Приборы фиксируют каждую молекулу изолированно.
2. Повышение надежности идентификации: чтобы однозначно доказать присутствие сложной молекулы, нужно зарегистрировать не одну линию, а серию из нескольких переходов строго определенной интенсивности. При узких линиях вероятность случайного совпадения с линиями других веществ практически сводится к нулю.
3. Обнаружение редких соединений: сигналы от молекул со сложной структурой чрезвычайно слабы. Когда ширина линии уменьшается вдвое, ее видимая высота на графике возрастает относительно фонового шума.

Это делает G+0.633 наиболее перспективным объектом для поиска еще более сложных соединений: замкнутых азотистых колец (урацила, цитозина, тимина), простых сахаров (включая рибозу) и свободных аминокислот.

Сопоставление концентраций: признак системы

Главное научное доказательство того, что G+0.633 и G+0.693 являются прямыми химическими аналогами, кроется в сравнении соотношений веществ.

Ученые сопоставили относительное содержание молекул разных групп по отношению к молекулярному водороду (H₂) для обоих облаков. Анализировались соединения, содержащие азот, кислород, серу, а также линейные углеродные цепи.

Оказалось, что относительные концентрации веществ в обоих облаках совпадают в пределах статистической погрешности. Соотношение между количествами этаноламина, гликоламида, цианометаниминов и простых спиртов в объектах, разделенных расстоянием примерно в 10 парсеков (более 30 световых лет), практически одинаково.

Если бы синтез молекул зависел от случайных факторов — например, от локальной вспышки соседней звезды или случайной плотности отдельного пылевого сгустка, — пропорции между десятками различных веществ неминуемо бы различались в разы или на порядки. Строгая корреляция параметров доказывает: мы имеем дело с масштабным, устойчивым и воспроизводимым природным процессом.

Значение открытия

Обнаружение облака G+0.633 меняет научный взгляд на распространенность органического вещества во Вселенной.

Во-первых, астрохимия преодолела ограничение единственного источника. Наличие пары взаимодополняющих лабораторий позволяет ученым перекрестно проверять любые новые спектральные данные. Если в одном из облаков фиксируется сигнал неизвестной молекулы, астрономы могут направить телескопы на второй объект и проверить наличие аналогичного перехода на соответствующей скорости. Это устраняет риск ложных открытий, вызванных аппаратными ошибками телескопов.

Во-вторых, полученные данные доказывают, что химическая эволюция материи — это не привилегия отдельных теплых планет с жидкой водой. Низкоскоростные ударные волны, возникающие при столкновениях молекулярных облаков, регулярно происходят по всей Галактике на протяжении всей ее истории. Следовательно, распыление ледяных оболочек пыли и выброс сотен типов органических молекул в свободное пространство являются постоянными спутниками галактической динамики.

Это означает, что протопланетные диски, возникающие вокруг молодых звездных систем, формируются не из бесструктурного атомного пара. Они изначально заполнены сложными углеродными соединениями, среди которых присутствуют основания для создания клеточных стенок, первичных белков и генетических систем.

Межзвездная среда непрерывно производит сложные органические структуры в колоссальных масштабах. Фундамент будущей биологии закладывается задолго до рождения самих планетных систем, подчиняясь строгим и повсеместным физическим законам космоса.

Источник: arXiv